PENGARUH PENEMPATAN PENGHALANG BERBENTUK SEGITIGA DI DEPAN SILINDER DENGAN VARIASI KECEPATAN ALIRAN UDARA TERHADAP KOEFISIEN DRAG

Jurnal Rekayasa Mesin Vol.6, No.3 Tahun 2015: 157-161

ISSN 2477-6041

PENGARUH PENEMPATAN PENGHALANG BERBENTUK SEGITIGA DI DEPAN SILINDER DENGAN VARIASI KECEPATAN ALIRAN UDARA TERHADAP KOEFISIEN DRAG Si Putu Gede Gunawan Tista, I Gusti Agung Kade Suriadi, Putu Pageh Astawa Jurusan Teknik Mesin , Fakultas Teknik, Universitas Udayana E-mail: [email protected]

Abstract One of the ways to preserve energy on the air plane is by decreasing the drag. Drag is closely related to the flow separation, the faster the separation, then the drag will increase more. Because of that, efforts were conducted to decrease drag is by manipulating a fluid flow field that is by installing triangle rod obstacle in front of the cylinder. The purpose of this research is to analyze the effect of installing triangle rod obstacle in front of the cylinder by various air flow velocity on the drag cofficient. In this research, the experiment was conducted in the wind tunnel, which consists of blower, pitot pipe, manometer, cylinder pipe, and triangle rod. The air flow velocity was varied from 6.25 m/s, 5.01 m/s, 4.09 m/s, 3.17 m/s, 2.24 m/s .The Reynold number based on cylinder (D = 42 mm) and air flow velocity is Re =18.100, 14.500, 11.800, 9.170, 6.480 .The distance triangle rod and cylinder is L = 70 mm or L/D=1.67.Pressure distribution is achieved by measuring the cylinder surface on 36 spots with interval of 100. The measured data was pressure of cylinder surface, static pressure, and airflow speed. The research results showed that the triangle rod could decrease the drag of cylinder. Coefficient drag for cylinder without triangle rod was 0,1276 while the less triangle rod was 0,01882 which takes place at speed 6,2479 m/s. Keywords: Triangle rod, air flow velocity, drag coefficient

PENDAHULUAN Gerakan aliran fluida melintasi suatu benda (bluff body) memegang peranan penting dalam aplikasi enginering seperti pada penukar kalor, pembakaran dan alat transportasi. Dengan demikian penelitian fenomena aliran tersebut menjadi sangat penting jika dikaitkan dengan krisis energi yang melanda dunia dewasa ini. Aliran eksternal viscous yang mengalir melalui silinder akan mengalami stagnasi, lapisan batas, separasi (pemisahan) dan wake di belakang silinder. Untuk benda yang bergerak dalam fluida viscous, gaya drag (gaya hambat) and gaya lift (gaya angkat) erat hubungannya dengan separasi aliran (Chew et al., 1997). Adanya separasi aliran akan menyebabkan timbulnya wake di belakang silinder yang mengakibatkan drag (hambatan). Semakin cepat terjadinya separasi aliran, wake akan semakin lebar sehingga drag semakin besar.

Dalam dunia transportasi seperti pesawat udara, mobil atau kapal laut, drag yang besar dihindari, karena energi atau tenaga yang dibutuhkan untuk bergerak menjadi lebih besar. Berbagai upaya telah dilakukan untuk mengurangi drag, diantaranya dengan membuat body yang streamline atau memanipulasi medan aliran. Sebagai contoh, jika drag dari mobil dan bangunan dapat dikurangi maka banyak biaya bahan bakar danm material yang dapat dihemat (Tsutsui dan Igarasi, 2002). Dalam apliaksi teknik, banyak sekali konstruksi yang menggunakan silinder, hal ini telah mendorong banyak peneliti untuk melakukan penelitian tentang aliran melintasi silinder. Oleh karenanya, sampai saat ini penelitian aliran melintasi silinder tetap sebagai salah satu yang penting dalam mekanika fluida (Bouk et al., 1998). Sehingga, penting untuk melakukan studi dengan silinder sebagai obyek. Tujuan dari penelitian ini adalah menganalisa pengaruh penempatan penghalang berbentuk segitiga di depan

157

Jurnal Rekayasa Mesin Vol.6, No.3 Tahun 2015: 157-161

silinder dengan variasi kecepatan aliran udara terhadap koefisien drag. Berbagai penelitian tentang drag yang mendukung penelitian ini antara lain : Lee, et al. (2004), meneliti pengaruh pemasangan batang kontrol kecil pada upstream dari silinder dengan fokus pada karakteristik drag. dan struktur aliran. Bilangan Reynold berdasarkan silinder utama (D = 30 mm) adalah sekitar Re = 20000. Maksimum pengurangan koefisien total drag dari seluruh sistem meliputi silinder utama dan batang kontrol sekitar 25%. Tsutsui & Igarashi (2002), mengkaji aliran sekitar silinder dengan menempatkan batang kecil pada upstream dari silinder . Diameter silinder adalah D = 40 mm, dan diameter batang d rentangnya dari 1 sampai 10 mm.. Angka Reynold didasarkan pada D rentang dari 1,5 x 104 sampai 6,2 x 104. Pengurangan total drag yang meliputi drag dari batang adalah 63% dibandingkan dengan yang satu silinder. Igarashi (1997), Mengkaji aliran sekitar Prisma segiempat dengan menempatkan batang kecil di depan prisma (upstream). Panjang sisi prisma D adalah 30 mm dan bilangan Reynold Re adalah 3,2 x 104. Pada jarak kritis Gc = D + 4,5d, vortex dari batang hilang. Drag dari prisma menurun sekitar 50% pada G > Gc dan 70% pada G ≤ Gc. Yajima & Sano (1996), Mengkaji aliran sekitar silinder dengan melubangi sepanjang silinder dalam dua baris yang dibuat melintang diamater silinder. Pengurangan drag luar biasa didapat untuk bermacam-macam sudut serang. Besarnya pengurangan drag adalah 40% dibandingkan dengan silinder halus. Sutardi & Ching (1999), mengkaji pertumbuhan lapisan batas turbulen di belakang sebuah alur melintang yang berpenampang bujur sangkar. Dari hasil kajian ini diperoleh hasil bahwa ada suatu lonjakan tegangan geser pada lokasi sedikit di belakang alur melintang. Di belakang lonjakan tegangan geser itu kemudian disusul dengan penurunan tegangan geser yang lebih rendah dari nilai pada kasus permukaan halus (tanpa alur). Selanjutnya, tegangan geser itu kembali seperti halnya pada permukaan halus. Dari hasil integrasi tegangan geser pada dinding (  w ) sepanjang permukaan uji, diperoleh hasil

ISSN 2477-6041

bahwa terjadi kenaikan gaya seret sebesar ± 1% untuk kasus lapis batas turbulen dengan Rθ = 1000. Untuk kasus Rθ = 3000, integrasi tersebut menunjukkan bahwa gaya seret yang terjadi pada permukaan yang beralur sama besar dengan gaya seret yang terjadi pada permukaan halus. Bouk, at al. (1998), melakukan studi eksperimental menggunakan silinder kecil sebagai pengontrol pasif untuk mengurangi gaya drag pada silinder utama. Hasil eksperimental mereka menunjukkan bahwa rata-rata penurunan gaya hambat maksimum sekitar 48% relatif terhadap silinder tunggal (tanpa pengontrol pasif). TINJAUAN PUSTAKA Aliran inkompresibel melintasi silinder dapat dilihat pada Gambar 1.

(a) Aliran Viscous

(b) Aliran inviscid

Gambar 1. Gambar Kualititatif aliran pada suatu silinder (Fox, 1985) Pada Gambar1.a. menunjukkan aliran viscous pada suatu silinder, streamlines adalah simetris. Titik A adalah titik stagnasi dan selanjutnya terjadi boundary layer. Dari titik A ke titik B terjadi kenaikan kecepatan yang berakibat penurunan tekanan dan selanjutnya dari titik B ke titik C terjadi penurunan kecepatan yang berarti terjadi kenaikan tekanan PC > PB. Di titik C momentum aliran tidak mampu melawan tegangan geser sehingga menyebabkan pecahnya boundary layer. Titik C disebut dengan point of separation. Di antara titik-titik atau tempat-tempat pemisahan boundary layer terjadi suatu kawasan yang disebut dengan wake. Makin besar wake makin besar terjadi perbedaan gaya di depan dan di belakang silinder berakibat makin besar gaya seret aliran terhadap silinder. Aliran inviscid diGambarkan pada Gambar 1.b. terlihat bahwa streamlines simetris, terjadi slip pada permukaan silinder dan perbedaan besar kecilnya kecepatan aliran ditunjukkan oleh

158

Jurnal Rekayasa Mesin Vol.6, No.3 Tahun 2015: 157-161

ISSN 2477-6041

rapat longgarnya streamlines yang ada dan dengan: juga tidak terjadi wake sehingga tidak terjadi P = Tekanan permukaan (N/m 2) gaya seret pada silinder. Po = Tekanan statik (N/m 2) Pengaruh turbulensi pada separasi aliran Uo = Kecepatan aliran bebas (m/s) yang melintasi silinder dapat dilihat pada ρ = Densitas udara (kg/m 3) Gambar 2. Koefisien drag yang bekerja pada silinder utama diperoleh dengan mengintegralkan tekanan permukaan pada silinder (Lee, et al., 2004) :

Gambar 2. Pengaruh turbulensi pada separasi (Incropera & DeWitt, 1981). Karena momentum fluida dalam lapisan batas turbulen lebih besar dari pada lapisan batas laminer, maka kemampuannya untuk melawan tegangan geser lebih besar sehingga akan lebih mampu untuk menunda yang menyebabkan separasi, itu layak untuk mengharapkan transisi. Jika ReD ≤ 2 x 105, lapisan batas tetap laminer, dan separasi terjadi pada θ ≈ 80o. Tetapi, jika ReD ≥ 2 x 105, terjadi transisi lapisan batas, dan separasi ditunda sampai θ ≈ 140o. Pada penelitian ini perhitungan koefisien tekanan digunakan persamaaan (Lee, et al., 2004):

CP 

P  Po 1 2

U o 2

CD  

( P  Po )dA 1 U 2 DC 2 o

(2)

dengan : P Po C D Uo ρ

= Tekanan permukaan silinder (N/m 2) = Tekanan statis (N/m 2) = Panjang silinder (m) = Diameter silinder (m) = Kecepatan aliran bebas (m/s) = densitas udara (kg/m 3)

METODOLOGI PENELITIAN Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah lorong udara (wind tunnel), pipa pitot, manometer, silinder utama, silinder penghalang, dan blower. Adapun susunan alat uji adalah seperti pada Gambar 3.

(1)

Gambar 3.Skema instalasi penelitian

159

Jurnal Rekayasa Mesin Vol.6, No.3 Tahun 2015: 157-161

HASIL DAN PEMBAHASAN Pembahasan Grafik Hasil penelitian dengan varisi kecepatan aliran udara udara Uo = 6.2479 m/s, 5.0051 m/s, 4.0862 m/s, 3.1651 m/s, 2.2383 m/s, dengan bilangan Reynold masing-masing Re = 18.100,14.500 , 11.800, 9.170, 6.480 adalah seperti terlihat pada Gambar 4. Pada Gambar 4. menunjukkan hubungan koefisien tekanan (Cp) terhadap sudut silinder (θ), dengan tanpa penghalang dan penghalang, pada kecepatan aliran udara masing-masing 6.25 m/s, 5.01m/s, 4.09 m/s, 3.17 m/s, 2.24 m/s atau pada bilangan Reynold Re = 18.100, 14.500, 11.800, 9.170, dan 6.480.Terlihat terjadi penurunan tekanan yang lebih tajam dibandingkan dengan tanpa penghalang, tekanan stagnasi tidak lagi pada sumbu silinder tetapi sudah bergeser sesuai dengan besarnya segitiga penghalang.Titik separasi juga berubah antara dengan penghalang dan tanpa penghalang sesuai dengan kecepatan aliran udara. Pada tanpa penghalang separasi terjadi kira-kira pada sudut 110o sedangkan dengan penghalang pada Re=18.100 dan Re=14.500 separasi bisa ditunda, terjadi pada sudut 120o sampai 130o , sedangkan pada Re

= 11.800, Re = 9.170 dan Re = 6.480 separasi terjadi pada sudut 100o. Hal ini disebabkan pada Re = 11.800, Re = 9.170 dan Re = 6.480 momentum aliran kurang untuk mengatasi gesekan sehingga separasi tidak bisa ditunda. 0.6 0.4 0.2

Cp

0 -0.2

0

40 80 120 160 200 240 280 320 360

-0.4 -0.6 -0.8 -1 -1.2

Sudut

(θ)

TP

Re=18.100

Re=14.500

Re=11.800

Re=9.170

Re=6.480

Gambar 4. Grafik Hubungan antara Koefisien Tekanan Cp terhadap sudut silinder (θ) dengan Variasi kecepatan aliran udara. 0.600 0.500 0.400

CD

Cara Kerja Dan Teknik Pengambilan Data Aliran udara yang dihembuskan oleh blower mengalir dalam wind tunnel dan melintasi penghalang berbentuk segitiga sama sisi dan mengenai silinder. Silinder yang digunakan pipa PVC jenis AW, Permukaan silinder dilubangi sebanyak 36 lubang dengan diameter 1 mm, dan dihubungkan dengan selang berdiameter 2 mm ke inclined manometer. Pemasangan pressure tube dilakukan pada keliling silinder pada bagian tengah. Posisi tiap titik dari pressure tube berjarak 10° dari titik pusat, sehingga akan diperoleh 36 titik pressure tube pada silinder. Untuk mengukur tekanan permukaan (P) (alat ukur 5), pembacaan manometer dilakukan secara manual. Kecepatan aliran udara wind tunnel diukur dengan pipa pitot (3) yang membaca tekanan total, sedangkan alat ukur (4) yang dihubungkan dengan selang berdiameter 2 mm untuk mengukur tekanan statis (Po) yang juga dibaca secara manual. Kecepatan udara bebas Uo diproses dari tekanan dinamik yakni selisih antara tekanan total dan tekanan statik.

ISSN 2477-6041

0.300 0.200 0.100 0.000 0

5000 10000 15000 20000 Re TP

Re

Gambar 5. Grafik Hubungan antara Koefisien Drag (CD) terhadap Bilangan Reynold (Re) Pada Gambar 5. Menunjukkan hubungan koefisien drag (CD) terhadap bilangan Reynold (Re) dengan penghalang dan tanpa penghalang. Terlihat bahwa semakin besar bilangan Reynold koefisien drag semakin kecil.

160

Jurnal Rekayasa Mesin Vol.6, No.3 Tahun 2015: 157-161

Hal ini disebabkan pada bilangan Reynold yang lebih besar atau pada kecepatan aliran yang lebih besar, momentum aliran lebih mampu untuk mengatasi tegangan geser yang terjadi, sehingga separasi terjadi jauh dibelakang silinder dan menyebabkan wake dibelakang silinder menjadi lebih sempit. Pada bilangan Reynold yang lebih rendah yaitu Re = 11.800, Re = 9.170 dan Re = 6.480 koefisien drag yang terjadi besar bahkan lebih besar disbanding tanpa penghalang. Hal ini disebabkan pada bilangan Reynold yang lebih rendah atau kecepatan yang lebih rendah momentum aliran lebih rendah sehingga tidak mampu mengatasi tegangan geser yang terjadi ketika melintasi silinder. Oleh karena itu, separasi yang terjdi pada saat melintasi silinder tidak bisa dtunda sehingga menyebabkan wake dibelakang silinder menjadi lebih lebar.Koefisien drag terendah terjadi pada bilangan Reynold Re = 18.100 atau pada kecepatan aliran 6.25 m/s yaitu sebesar 0.01695. Besarnya penurunan koefisien drag pada kecepatan aliran 6.25 m/s atau pada Re = 18.100 dibandingkan dengan tanpa penghalang adalah 86.76 %.

ISSN 2477-6041

[4] Incropera, F. P. & D. P. DeWitt. 1981. Fundamentals Of Heat And Mass Transfer, John Wiley & Sons, New York,. [5] Lee, S., S. Lee, & C.2004. Park, Reducing The Drag On a Circular Cylinder by Upstream Installation Of a Small Control Rod, Fluid Dynamics Reseach , 34(2004): 233-250. [6] Sutardi & C. Y. Ching.1999. Pertumbuhan Lapis Batas Turbulen Di Belakang Sebuah Alur Melintang Yang Berpenampang Bujur Sangkar, Jurnal Teknik Mesin ITS, 26 (3): 162-168 [7] Tsutsui, T. & T. Igarashi.2002. Drag Reduction of a Circular Cylinder in an AirStream, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 90: 527-541. [8] Yajima, Y & O. Sano, 1996. A Note On The Drag Reduction Of a Circular Cylinder Due To Double Rows Of Holes, Fluid Dynamics Research, 18: 237 – 243. [9] Bouak, F, and Lemay, J.1998. Passive Control of the Aerodynamics Forces Acting on a Circular Cylinder, ExperimentalThermal and Fluid Science, 16, pp. 112-121.

KESIMPULAN Dari hasil penelitian yang telah dilakukan dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut: 1. Adanya penghalang mampu menurunkan koefisien drag. 2. Semakin besar bilangan Reynold atau semakin besar kecepatan aliran udara koefisien drag semakin kecil. 3. Pada bilangan Reynold Re = 11.800, Re = 9.170 dan Re = 6.480 koefisien drag lebih besar dibandingkan dengan tanpa penghalang. DAFTAR PUSTAKA [1] Chew, Y T., L S Pan, & T S Lee.1997. Numerical Simulation of the Effect Of a Moving Wall On Separation Of Flow Past a Symmetrical Aerofoil, ImechE, 212. [2] Fox,R.W.1985.,Introduction To Fluid Mechanics, John Wiley & Sons, New York, [3] Igarashi, T.1997. Drag Reduction Of a Square Prism by Flow Control Using a Small Rod, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 69 – 71, 141 – 153.

161